中厚煤層超長工作面應力場時空演化特征數值模擬研究

李 明 龔 鈺

（1.河南能源化工集團禹州棗園煤業有限公司，河南 禹州 452570；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116）

近年來，隨著煤炭高強度大規模的開采，布置超長工作面已逐漸成為中厚煤層實現高產高效的必然趨勢[1]。然而，工作面長度的增加勢必會對采空區覆巖破斷特征產生影響[2-3]，并引起礦壓顯現規律的改變，給礦井安全生產帶來新的難題。

部分研究表明，超長工作面的礦壓顯現與普通工作面礦壓顯現存在顯著區別。超長工作面周期來壓步距小，來壓持續距離短且礦壓顯現較劇烈[4-5]；工作面周期來壓步距與工作面長度呈反比，來壓強度則與工作面長度成正比關系[6]。王生彪等[7]通過對超長工作面回采及末采期間來壓數據進行統計，根據來壓步距、強度與面長的關系對工作面頂板支護進行指導。煤層厚度對采場礦壓顯現規律及巖層移動變形規律存在一定的影響，金寶圣[8]利用數值模擬分析了基本頂的彎曲、破斷、失穩全過程，模擬得出基本頂的初次來壓步距為60～70 m，周期來壓步距約為25 m。相較于200 m 以內的工作面長度，煤層厚度使得超長工作面頂板管理難度大，需要強有力的支護策略保持端面頂板及煤壁圍巖穩定性[9]。超長工作面回采對頂板及煤壁造成破壞的同時，對底板破壞與損傷呈現了新的特征。現場實測[10]表明，超前工作面底板擾動深度為22～27 m。基于超長工作面來壓強、步距短的周期來壓特點，眾多學者進行支架選型及加強支護形式的研究。秦小云等[11]針對支架承載中部受力強、兩端受力較小的特點，進行掩護式支架承載特性的研究；王國法等[12]采用現場實測與理論計算相結合的方法，分析了超長工作面來壓頻率、峰值和范圍，提出了單架控制-組控制-群控制三級協同控制方案；范志忠等[13]采用超長工作面頂板狀態實時監測與動態感知技術，實現了頂板來壓位置、持續時間及來壓強度的模式識別；王傳兵等[14]采用數值模擬、實驗室試驗等方法對兩巷煤壁片幫機理進行了研究，兩巷超前深孔、工作面煤壁淺孔超前預注漿等措施進行煤壁防片幫治理；張開智等[15]針對超長工作面綜放開采下的頂梁支架阻力進行實測分析，通過對頂梁支架上的載荷分布進行敏感性分析，通過參數調整實現頂梁載荷分布的控制。超長工作面回采引起煤炭回采率的增加，對超長工作面設備選型提出新要求，唐永志等[16]將液壓支架及刮板輸送機與采煤機的割煤速率進行關聯分析，滿足工作面實際生產能力，同時確定支架合理支護強度，選用特定支護結構，支護效果良好。綜上分析可知，厘清中厚煤層超長工作面的礦壓顯現規律對工作面安全開采有著重要的影響。

本文以陳四樓煤礦2803 超長工作面回采為工程背景，通過FLAC3D數值模擬對中厚煤層超長工作面采動過程的走向超前支承壓力、側向超前支承壓力及煤壁側向支承壓力時空演化規律進行研究。

1 概況

陳四樓煤礦2803 工作面位于八采區，主要回采二2 煤層。工作面呈東西方向布置，南邊為已開采的2802 工作面采空區，北邊為未開采的2804 工作面實體煤。工作面埋深約750 m，走向長度約1300 m，工作面斜長約367 m，屬于典型超長工作面。工作面南邊為2802 工作面；西為巖漿巖侵入區；東為八采區皮帶巷、八采區軌道巷、八采區回風巷；北為未開采的2804 工作面實體煤。

圖1 2803 超長工作面布置圖（m）

工作面回采煤層為二2 煤層，煤層平均厚度為2.65 m，煤層特征為灰黑～褐黑色，玻璃光澤，以亮煤為主。直接頂為深灰色泥巖，平均厚度3.84 m，含菱鐵質及植物化石碎片，有大量黃鐵礦薄膜，局部有較多煤屑；基本頂為灰白色中砂巖，顆粒為粗-細-粗結構，成分以石英、長石為主，泥質膠結，微斜層理發育，裂隙充填方解石，局部泥質團塊較多，呈不規則分布，平均厚度13.28 m；直接底為灰黑色泥巖，灰黑色，含碳化、植物根部化石碎片，下部具層理并含粉砂巖條帶和黃鐵礦薄膜，平均厚度4.67 m。根據實際揭煤情況，工作面煤層賦存穩定，結構簡單。

2 中厚煤層超長工作面數值模擬結果分析

2.1 工作面應力場時空演化特征數值模型

根據煤層柱狀圖及工作面布置情況，運用FLAC3D數值軟件，研究超長工作面回采時工作面的應力場分布情況。模型采用Mohr-Coulomb 本構模型，Mohr-Coulomb 模型屬于理想彈塑性模型，能較好地反映材料在彈塑性階段的受力變形特征，且針對大模型有較高的計算效率。模擬超長工作面回采過程，考慮邊界效應，建立500 m×300 m×80 m 的超長工作面回采模型，模型共有網格約203 萬個，節點約219 萬個。模型底部及四周為固定邊界，頂部為自由應力邊界。根據煤層埋深及巖層分布情況，模型頂部施加上覆巖層自重應力16.1 MPa。各巖層參數見表1。

表1 物理力學參數表

2.2 工作面超前支承應力場分布特征

在模型煤層頂板上z=23.7 布置y軸方向測線，工作面中心位置為（250，30，23.7），監測距離工作面中心x方向0 m、40 m、80 m、120 m 的應力，開挖30 m 后計算平衡。模型計算平衡后，通過模擬結果輸出不同方案下工作面超前應力云圖，分析工作面開采對超長工作面超前應力分布影響。支承應力分布如圖2。

圖2 工作面不同位置處超前應力分布云圖

根據圖2 工作面不同位置處超前應力分布規律可知，隨著監測點與工作面距離的增大，超前支承應力先增大后減小，且在工作面前方11 m 處取得峰值26.84 MPa，其應力集中系數為1.534；然后急劇減小，至25 m 減少至21.20 MPa；再緩慢減小，至90 m 處減少至原巖應力17.5 MPa。290 m 測線時，工作面前方壓力由4.16 MPa 開始急劇增加，距離11 m 時升至峰值27.24 MPa，應力集中系數為1.557；然后急劇減小，至25 m 減少至21.16 MPa；再緩慢減小，至90 m 處減少至原巖應力17.5 MPa。330 m測線時，工作面前方壓力由4.27 MPa 開始急劇增加，距離11 m 時升至峰值27.05 MPa，至93 m 處減少至原巖應力17.5 MPa 后趨于平緩。370 m 測線時，工作面前方壓力由4.05 MPa 開始急劇增加，距離11 m 時升至峰值27.08 MPa，應力集中系數為1.547；然后急劇減小，至25 m 減少至22.85 MPa；再緩慢減小，至90 m 處減少至17.8 MPa 后趨于平緩。410 m 測線時，工作面前方壓力由4.01 MPa 開始急劇增加，距離11 m 時升至峰值27.87 MPa，應力集中系數為1.593；然后急劇減小，至25 m 減少至22.82 MPa；再緩慢減小，至90 m 處減少至18.5 MPa 后趨于平緩。

工作面應力分布曲線如圖3 所示，圖中x=0 為工作面中心處。由圖3 可知，工作面超前支承應力總體呈現先急速增大后逐漸減小最后趨于平衡的規律。分析可知，工作面超前支承應力受采動影響可分為以下三個階段：無采動影響階段：支承壓力在煤壁前方90 m 以外的范圍趨于原巖應力，無明顯變化；弱采動影響階段：支承壓力在煤壁前方25～90 m 范圍內緩慢采動；采動影響劇烈階段：支承壓力在煤壁前方0～11 m 急劇上升，在11～25 m 距離內快速下降，其峰值應力集中系數為1.251～1.593。即工作面開采引起的超前應力擾動范圍約為90 m，其中工作面前方25 m 范圍內屬于影響強烈區。

圖3 超長工作面應力分布曲線

2.3 工作面傾向支承應力場分布特征

為進一步研究超長工作面應力場分布特征，對工作面前方5 m、10 m、15 m、30 m、60 m 處實體煤的傾向應力分布特征進行分析，具體如圖4。

圖4 工作面前方各處的垂直應力分布云圖

根據圖4 工作面前方不同位置的垂直應力分布特征可知，工作面側向支承應力分布呈現先增大后減小最后趨于穩定的規律，應力集中區主要集中在巷道兩側10～15 m 范圍。距工作面0～15 m 范圍內，工作面側向支承應力分布的變化較大；距工作面30 m 之后工作面中間區域應力趨于原巖應力。

為進一步明確超長工作面傾向支承應力分布規律，在模型煤層頂板上z=23.7 布置x軸方向測線，監測距工作面前方5～90 m 的應力分布情況。具體如圖5。

圖5 工作面傾向應力分布

由圖5 可知，工作面傾向支承應力呈現先增大后減小最后趨于平緩的變化特征，工作面兩端呈對稱分布。由巷道向工作面方向，工作面應力在0～10 m 范圍內急劇增加；隨著距工作面距離的增大，峰值應力先增大，后逐漸減小，最后趨于穩定，應力集中系數在10～25 m 內逐漸減少，25 m 之后變化不大。由巷道向煤壁側9 m 距離內，應力急劇增大至峰值點，距離9～12 m 時逐漸減少，距離超過12 m之后趨于定值。工作面側向應力隨距工作面距離呈現出先急劇增大，再緩慢減小，最后趨于穩定。

2.4 煤壁側向支承壓力

在模型煤層頂板上z=23.7 布置x軸方向測線，對超長工作面前方不同位置的垂直應力進行監測分析，并繪制工作面前方實體煤的側向應力分布圖，如圖6 所示。其中圖6 的原點位置為進風巷左幫處。

圖6 工作面左側煤體應力分布

由圖6 可知，煤體垂直應力值呈現先急劇增大后逐漸減少最終趨于穩定的變化特征。垂直應力隨著相對煤壁距離的不同大致分為三個區域：0～11 m 范圍內應力急劇增長區，且應力值迅速增大，在11 m 處增加到最大值26.843 MPa（應力集中系數1.53）；11～16 m 范圍內應力由峰值逐漸降低，且減少曲率逐漸趨于平緩，該區域為應力遞減區；當距離煤壁距離大于25 m 后，垂直應力約等于原巖應力，進入原巖應力區。隨著工作面距離的變化，工作面左側煤壁中應力曲線無明顯變化，即工作面左側煤壁受工作面開采影響較小。

3 結論

1）在工作面前方，隨距工作面前端距離的增大，超前支承壓力呈先急速增大后逐漸減小最后趨于平衡的趨勢。煤壁前0～11 m 支承壓力急速增加，11～25 m 支承壓力快速下降，25～90 m 支承壓力逐漸減小，90 m 后支承壓力趨于平衡。

2）工作面超前支承應力受采動影響可分為三個階段，即無采動影響階段、弱采動影響階段、采動影響劇烈階段。煤壁前90 m 以外的范圍趨于原巖應力區，屬于無采動影響階段；25～90 m 范圍屬于弱采動影響階段；0～25 m 范圍屬于采動影響劇烈階段。

3）工作面前方傾向支承應力呈先增大后減小最后趨于平緩的趨勢。巷道向煤壁側方向0～10 m范圍內應力急劇增加，10～25 m 應力逐漸減小。

4）煤體垂直應力呈先急劇增大后逐漸減小最后趨于穩定的趨勢。0～11 m 范圍內應力急劇增大，在11 m 處達到峰值約為26.843 MPa，11～16 m 范圍內應力逐漸降低，25 m 后應力約等于原巖應力，受煤層開采擾動影響較小。